瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞在鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病發(fā)病過程中的作用研究現(xiàn)狀

摘要 心臟瓣膜病是一類重要的心臟疾病，其發(fā)病病因近半個(gè)世紀(jì)發(fā)生了很大的變化。目前退行性瓣膜病的發(fā)病率逐漸升高，鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病是退行性瓣膜病的最重要的表現(xiàn)之一。瓣膜內(nèi)皮是瓣膜組織中直接接觸血流的細(xì)胞，在瓣膜疾病的發(fā)病過程中扮演重要的角色。血流剪切力作用于瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞，使其形態(tài)、基因表達(dá)發(fā)生相應(yīng)地變化，導(dǎo)致瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)換，成為具有增殖能力的瓣膜間質(zhì)細(xì)胞，或者使瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞的旁分泌機(jī)制發(fā)生變化，影響瓣膜間質(zhì)細(xì)胞的功能，從而導(dǎo)致瓣膜病的發(fā)生。

基金項(xiàng)目：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院博士生創(chuàng)新基金（2013-1002-47）

作者單位：100037 北京市，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 國(guó)家心血管病中心 阜外醫(yī)院 心外科

作者簡(jiǎn)介：劉漢凝 博士研究生 主要從事心血管外科的基礎(chǔ)與臨床研究 Email：fuwailhn@hotmail.com 通訊作者：鄭哲 Email：zhengzhe@fuwai.com *為共同第一作者

心臟瓣膜疾病是一類常見的心臟疾病，主要表現(xiàn)為心臟瓣膜的狹窄或關(guān)閉不全以及由此引起的血流動(dòng)力學(xué)改變而造成的心臟、肺血管等器官的病變。在美國(guó)，瓣膜性心臟病的患病率達(dá)2.5% [1]。瓣膜性心臟病主要包括先天性瓣膜病和獲得性瓣膜病（成人瓣膜?。?。成人瓣膜病根據(jù)病因不同，主要分為風(fēng)濕性瓣膜病和退行性瓣膜病。流行病學(xué)研究表明，上世紀(jì)50年代以前，在全球范圍內(nèi)成人瓣膜病以風(fēng)濕性瓣膜病為主；50年代以后，成人瓣膜病的病因出現(xiàn)了明顯的地區(qū)差異 [2]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著衛(wèi)生條件的改善和抗生素的廣泛應(yīng)用，風(fēng)濕性瓣膜病的數(shù)量逐漸減少，而退行性瓣膜病成為成人瓣膜病的主要病因。有調(diào)查顯示，歐洲地區(qū)的瓣膜病患者中，有63%是退行性瓣膜病，22%是風(fēng)濕性瓣膜病 [3]。在發(fā)展中國(guó)家，風(fēng)濕性瓣膜病發(fā)病率仍然較高。在亞洲地區(qū)，每年約有35～50萬人死于風(fēng)濕性瓣膜病 [4]。據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2012》，我國(guó)風(fēng)濕性心臟病患者數(shù)量高達(dá)250萬人 [5]。而隨著人口老齡化的加劇和生活及衛(wèi)生條件的進(jìn)一步改善，發(fā)展中國(guó)家尤其是我國(guó)成人瓣膜病的主要病因也逐步由風(fēng)濕性轉(zhuǎn)為退行性。

退行性瓣膜病是一類由于結(jié)締組織形態(tài)變化引起瓣膜結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而導(dǎo)致瓣膜及其附屬結(jié)構(gòu)正常功能受損的非感染性瓣膜疾病，主要表現(xiàn)為主動(dòng)脈瓣的增厚和鈣化。過去認(rèn)為，退行性瓣膜病是一種與年齡相關(guān)的退行性病變，近年來，越來越多的研究表明，退行性主動(dòng)脈瓣疾病是一個(gè)主動(dòng)的病理生理過程，包括慢性炎癥、脂質(zhì)沉積以及鈣化等一系列的改變 [6]。所以，近年來更傾向于將“退行性主動(dòng)脈瓣疾病”稱為“鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病”。國(guó)內(nèi)學(xué)者報(bào)道目前我國(guó)老年人群中，瓣膜鈣化的超聲檢出率為8.1%～48.5% [7-9]。一項(xiàng)對(duì)社區(qū)老年人鈣化性瓣膜病五年的縱向研究結(jié)果表明，2011年60歲以上老年人鈣化性瓣膜病為15.6%，較2005年的13.4%有明顯上升 [10]。目前，瓣膜病的治療主要依賴于外科修復(fù)和置換，治療成本高，由此帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)大。探索瓣膜病的發(fā)病機(jī)制，進(jìn)一步尋求對(duì)因治療策略已經(jīng)成為瓣膜病防治研究的熱點(diǎn)。

心臟瓣膜組織由瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞（VECs）和瓣膜間質(zhì)細(xì)胞（VICs）以及細(xì)胞外基質(zhì)組成。VECs是覆蓋在瓣膜表面的單層內(nèi)皮細(xì)胞，通過調(diào)節(jié)滲透、炎癥以及防止血栓形成保護(hù)瓣膜內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu) [11]。VECs在瓣膜表面，能夠直接接觸到血液，循環(huán)中的血流動(dòng)力學(xué)以及血液的生化改變能夠直接作用于VECs，外界的種種變化通過VECs感受并引起相應(yīng)的變化，這樣的過程可能在鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中起到重要的作用 [12]。

1 血流動(dòng)力學(xué)變化對(duì)主動(dòng)脈瓣內(nèi)皮細(xì)胞的影響

首先，從組織學(xué)的角度來講，主動(dòng)脈瓣組織的結(jié)構(gòu)本身是對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的一種主動(dòng)的適應(yīng)。主動(dòng)脈瓣的細(xì)胞外基質(zhì)可以分為三層，分別是位于主動(dòng)脈側(cè)的纖維層、位于左心室側(cè)的彈力蛋白層和二者之間的疏松層。三層的分布以及組織結(jié)構(gòu)很好地適應(yīng)了血流動(dòng)力的需要。在收縮期，血流由左心室流向主動(dòng)脈，血流的剪切力作用于主動(dòng)脈瓣的心室側(cè)，心室側(cè)的彈力蛋白被拉伸，而主動(dòng)脈側(cè)的纖維收縮，使主動(dòng)脈側(cè)皺縮，瓣膜開放；而在舒張期，心室側(cè)的血流剪切力減弱，血液作用于主動(dòng)脈側(cè)，心室側(cè)彈力蛋白回縮，主動(dòng)脈側(cè)的纖維回復(fù)，主動(dòng)脈瓣關(guān)閉。在整個(gè)過程中，位于中間的疏松層起到對(duì)血液剪切力以及其引起的瓣膜相對(duì)運(yùn)動(dòng)的緩沖作用，并且其內(nèi)的親水性的氨基聚糖能夠穩(wěn)定地吸收水分，保證瓣膜組織能夠抵抗?jié)B透壓而不會(huì)腫脹 [13]。

而從另一方面，血流動(dòng)力學(xué)也作用于主動(dòng)脈瓣組織，使其被動(dòng)地適應(yīng)血流動(dòng)力學(xué)變化。受血流動(dòng)力學(xué)影響最直接最明顯的是瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞。

首先，血流引起的剪切力是實(shí)現(xiàn)瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞功能重要刺激。內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)血流剪切力的敏感性表現(xiàn)在許多方面，其中最直接的是形態(tài)學(xué)的變化。在血管中，內(nèi)皮細(xì)胞能夠順著血流方向延長(zhǎng)平行排列，而在血流分叉處，內(nèi)皮細(xì)胞卻表現(xiàn)為多邊形或者圓形 [14-16]。在主動(dòng)脈瓣的發(fā)育過程中，瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞也存在類似的現(xiàn)象 [17]；然而在出生后的成熟瓣膜中，有部分區(qū)域的內(nèi)皮細(xì)胞的延伸方向與血流方向相垂直，對(duì)這種現(xiàn)象可能的解釋是因?yàn)榇嬖谟诎昴?nèi)皮細(xì)胞下的膠原纖維以圓周狀分布，其對(duì)瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞的接觸作用造成了這樣的形態(tài)學(xué)變化 [18]。有趣的是，肌動(dòng)蛋白始終能夠?qū)⑷魏涡螒B(tài)的瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞向血流方向拉伸 [19]。另外，最近的研究表明，體外培養(yǎng)的人主動(dòng)脈瓣內(nèi)皮細(xì)胞能夠平行于血流方向排列 [20]?？傊?，盡管在形態(tài)上，瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞具有差異，但是能夠依血流方向排列是這兩類內(nèi)皮細(xì)胞的共同特點(diǎn)。

其次，不同的血流動(dòng)力學(xué)的變化可能也會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣兩側(cè)的內(nèi)皮細(xì)胞基因表達(dá)差異。轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究告訴我們，主動(dòng)脈側(cè)更容易發(fā)生纖維化以及鈣化，而抗氧化可以使其免于這種病理變化。在高脂飲食飼養(yǎng)兩周誘導(dǎo)的早期主動(dòng)脈疾病豬模型中，研究者們?cè)诟菀谆疾〉闹鲃?dòng)脈側(cè)瓣膜發(fā)現(xiàn)了保護(hù)性的內(nèi)皮細(xì)胞表型 [21]。體外研究表明，與瓣膜病發(fā)病有聯(lián)系的氧化、炎癥以及成軟骨相關(guān)的基因在層流的剪切力作用下表達(dá)降低 [22]。另外有研究表明，在紊亂的剪切力作用下，炎癥相關(guān)的基因，包括血管細(xì)胞黏附分子-1 （VCAM-1）、細(xì)胞間黏附分子-1 （ICAM-1）、骨成型蛋白-4 （BMP-4）以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1 （TGF-β1）表達(dá)升高。但是這種升高僅僅出現(xiàn)在主動(dòng)脈側(cè)的瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞，表明主動(dòng)脈側(cè)對(duì)于剪切力更為敏感，而這種敏感可能與疾病相關(guān) [23]。

2 主動(dòng)脈瓣內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)瓣膜間質(zhì)細(xì)胞的調(diào)控

主動(dòng)脈瓣疾病進(jìn)程中出現(xiàn)的一系列變化包括心肌細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的重構(gòu)、鈣化等很大程度上都是通過瓣膜間質(zhì)細(xì)胞調(diào)控的。而血流動(dòng)力對(duì)瓣膜的作用可能通過瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞傳遞從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瓣膜間質(zhì)細(xì)胞的調(diào)控 [12]。Butcher 等 [22]研究表明，在體外共培養(yǎng)VICs與VECs時(shí)，當(dāng)VECs處于具有流體剪切力的情況下，VIC中成肌纖維細(xì)胞標(biāo)記物α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）表達(dá)明顯降低。這說明，流體剪切力確實(shí)通過VECs對(duì)VICs實(shí)現(xiàn)了調(diào)控。VECs對(duì)于VICs的調(diào)控很可能是通過旁分泌實(shí)現(xiàn)的，目前的研究認(rèn)為，VECs調(diào)控VICs旁分泌的因子主要有一氧化氮（NO）和C型尿鈉肽（CNP）。流體剪切力會(huì)使內(nèi)皮細(xì)胞中NO合成酶mRNA的表達(dá)升高 [24]，而在體外，NO可以防止VIC收縮介導(dǎo)的鈣化小結(jié)形成 [25]。CNP具有和NO相似的作用，即能夠誘導(dǎo)環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）的產(chǎn)生 [26]。CNP在表達(dá)在正常主動(dòng)脈瓣組織，尤其是在心室側(cè)的內(nèi)皮細(xì)胞中高表達(dá) [27]。而在體外培養(yǎng)時(shí)，CNP能夠阻止VICs分化為成肌纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞，表明CNP在維持主動(dòng)脈瓣正常功能中具有重要作用 [28]。而在狹窄的人主動(dòng)脈瓣中，CNP的表達(dá)會(huì)明顯降低 [29]。

3 主動(dòng)脈瓣內(nèi)皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)換在瓣膜疾病中的作用

上皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化（EMT）是上皮細(xì)胞通過特定程序轉(zhuǎn)化為具有間質(zhì)表型細(xì)胞的生物學(xué)過程。EMT現(xiàn)象在胚胎發(fā)育、慢性炎癥、組織重建、癌癥轉(zhuǎn)移和多種纖維化疾病中具有重要作用。心臟在胚胎發(fā)育過程中，經(jīng)歷兩次EMT形成原始心臟，此后，在房室交界處和心室流出道的位置又通過EMT形成原始瓣膜。對(duì)于脊椎動(dòng)物，心內(nèi)膜墊（Endocardial cushion）的形成是瓣膜發(fā)育的開始 [30]。來自心肌層等的信號(hào)因子啟動(dòng)鄰近心內(nèi)膜的內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生EMT [31]，這些細(xì)胞通過EMT轉(zhuǎn)化為間質(zhì)祖細(xì)胞，間質(zhì)祖細(xì)胞具有高度增殖的能力，它們可以進(jìn)一步形成瓣膜間質(zhì)細(xì)胞（VICs） [32]。間質(zhì)祖細(xì)胞與心內(nèi)膜墊的ECM形成瓣膜原基。此后，瓣膜原基在各種信號(hào)通路的調(diào)控下，瓣葉部分逐漸變薄變長(zhǎng)。在此過程中，間質(zhì)祖細(xì)胞分化為VICs而喪失增殖能力，成熟的VICs基本不具有增殖能力 [32]；同時(shí)ECM也發(fā)生重建，形成三層結(jié)構(gòu)，分別富含彈力蛋白、膠原纖維和蛋白多糖 [33]。通過這樣的一系列變化，心臟瓣膜逐漸發(fā)育成熟。

近年的研究表明，許多成人心臟疾病的發(fā)生都與胚胎發(fā)育過程的生理現(xiàn)象重新激活有著重要的關(guān)系。越來越多的研究認(rèn)為，心臟瓣膜疾病的發(fā)病機(jī)理也與胚胎期發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路的激活有關(guān) [34-36]。Paruchuri等 [37]的研究發(fā)現(xiàn)，成年人瓣膜中同時(shí)表達(dá)CD31（內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物）和α-SMA（間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物）的細(xì)胞，即發(fā)生EMT的細(xì)胞數(shù)量約為胚胎發(fā)育14-19周時(shí)期的十分之一。在對(duì)缺血性二尖瓣反流患者的瓣膜研究中發(fā)現(xiàn)，患者的二尖瓣瓣葉面積明顯增大，Chaput等 [38]認(rèn)為這種病理改變是因?yàn)槎獍臧耆~的代償并以此減少二尖瓣的反流。Dal-Bianco等 [39]進(jìn)一步通過機(jī)械損傷綿羊瓣膜模型模擬缺血性二尖瓣反流患者的病理變化，并發(fā)現(xiàn)處理組增厚的二尖瓣內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生EMT的數(shù)量高出對(duì)照組4倍。另外，研究者還在4例缺血性二尖瓣反流患者的瓣膜的上皮細(xì)胞層發(fā)現(xiàn)了α-SMA陽性的細(xì)胞。首次證實(shí)了在人瓣膜病組織標(biāo)本中同樣存在EMT的激活。這些證據(jù)表明，在二尖瓣增厚增大的病理改變過程中，EMT的重新激活是一個(gè)重要的病理變化。在鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病中，在瓣膜的主動(dòng)脈側(cè)具有共表達(dá)CD31與α-SMA的發(fā)生EMT的細(xì)胞，而作為對(duì)照的兒童主動(dòng)脈瓣沒有發(fā)生EMT的細(xì)胞 [40]。

4 結(jié)語

鈣化性主動(dòng)脈瓣疾病已經(jīng)并且越來越成為威脅人類身體健康的心臟疾病，探索此類疾病的病因?qū)τ趯ふ腋佑行У闹委煵呗跃哂兄匾囊饬x。瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞作為聯(lián)系外界因素與瓣膜間質(zhì)的重要橋梁，在發(fā)病過程中扮演重要角色。VECs接受血流動(dòng)力學(xué)變化的刺激，一方面自身可能發(fā)生改變，激活向間質(zhì)轉(zhuǎn)換的能力；另一方面，其旁分泌的物質(zhì)可能發(fā)生變化，從而調(diào)控瓣膜間質(zhì)細(xì)胞的病理過程。對(duì)VECs更進(jìn)一步的研究重點(diǎn)應(yīng)該集中在EMT、旁分泌以及血流動(dòng)力因素對(duì)VECs的調(diào)控這幾個(gè)方面。對(duì)于VECs發(fā)生EMT的機(jī)制以及EMT在疾病進(jìn)程中的作用、更多旁分泌因子的發(fā)現(xiàn)以及調(diào)控通路的研究和如何減少血流動(dòng)力變化對(duì)VECs的影響將給瓣膜病病因與新的治療手段的探索帶來更多的啟示。